RU2797867C1 - Diamond detector-based diamond detector recognition system for fluxes of corpuscular radiation for laser fusion time-of-flight spectrometry - Google Patents
Diamond detector-based diamond detector recognition system for fluxes of corpuscular radiation for laser fusion time-of-flight spectrometry Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797867C1 RU2797867C1 RU2022101879A RU2022101879A RU2797867C1 RU 2797867 C1 RU2797867 C1 RU 2797867C1 RU 2022101879 A RU2022101879 A RU 2022101879A RU 2022101879 A RU2022101879 A RU 2022101879A RU 2797867 C1 RU2797867 C1 RU 2797867C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- detector
- radiation
- diamond detector
- corpuscular
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Описание изобретенияDescription of the invention
Изобретение относится к области измерения нейтронного, рентгеновского, корпускулярного, гамма-излучения полупроводниковым детектором, а именно алмазным детектором.The invention relates to the field of measuring neutron, x-ray, corpuscular, gamma radiation with a semiconductor detector, namely a diamond detector.
Система регистрации потоков корпускулярного излучения на основе алмазного детектора предназначена для применения в лазерном термоядерном синтезе.The corpuscular radiation flux detection system based on a diamond detector is intended for use in laser thermonuclear fusion.
Большинство систем регистрации импульсных нейтронных, корпускулярных потоков строятся на базе детекторов, в которых в качестве чувствительных элементов используются различные сцинтилляторы (патент CN 111796320 А, опубл. 20.10.2020; S. Cierjacks, Т. Petkovic et. Al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, V. A238, p.354-364, 1985). Эти детекторы не способны различать различные типы излучения. Кроме того, сцинтилляционные детекторы часто требуют охлаждения для оптимизации их чувствительности, поскольку их эффективность снижается с повышением температурыMost registration systems for pulsed neutron, corpuscular fluxes are built on the basis of detectors in which various scintillators are used as sensitive elements (patent CN 111796320 A, publ. 10/20/2020; S. Cierjacks, T. Petkovic et. Al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, V. A238, p. 354-364, 1985). These detectors are not capable of distinguishing between different types of radiation. In addition, scintillation detectors often require cooling to optimize their sensitivity, as their performance decreases with increasing temperature.
Известен времяпролетный импульсный детектор нейтронов (патент US 2014/0077093 А1), содержащий GEM-детектор (газо-электронный умножитель), включающий дрейфовый электрод, покрытый слоем нейтронно-конвертирующего материала для генерации электрического поля, множество GEM-плат, покрытых слоем нейтронно-конвертирующего материала, времяпролетный считывающий блок для обнаружения 2-D положение электрона, электронную схему таймера для фиксирования времени пролета импульсного нейтрона с помощью независимой произвольной настройки и микропроцессорный блок для выполнения цифрового расчета времени пролета.Known time-of-flight pulsed neutron detector (patent US 2014/0077093 A1), containing a GEM detector (gas-electron multiplier), including a drift electrode coated with a layer of neutron-converting material to generate an electric field, a lot of GEM-boards coated with a layer of neutron-converting material, a time-of-flight reading unit for detecting the 2-D position of an electron, a timer electronic circuit for fixing the time of flight of a pulsed neutron using independent arbitrary tuning, and a microprocessor unit for performing a digital calculation of the time of flight.
Использование для измерений традиционных полупроводниковых детекторов, имеющих ширину запрещенной зоны 1-2 эВ, проблематично из-за нестабильной работы и малой радиационной стойкости. Известна времяпролетная система детектирования нейтронного излучения на установке NIF (National Ignition Facility) США, в которой применяются 3 детектора нейтронов на основе поликристаллического алмаза разной чувствительности (69. Yu, V., Glebov et al. «The National Ignition Facility neutron time-of-flight system and its initial performance)). Rev. Sci. Instrum. V. 81,10D325,2010).The use of traditional semiconductor detectors with a band gap of 1–2 eV for measurements is problematic due to unstable operation and low radiation resistance. Known time-of-flight detection system for neutron radiation at the NIF (National Ignition Facility) USA, which uses 3 neutron detectors based on polycrystalline diamond of different sensitivity (69. Yu, V., Glebov et al. “The National Ignition Facility neutron time-of- flight system and its initial performance)). Rev. sci. Instrum. V. 81.10D325.2010).
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является устройство для детектирования нейтронов с детектором, имеющим пару разнесенных алмазных детекторных слоев, зажатых между внешними слоями кремния (патент US 2018/0120460 от 03.05.2018 «Neutron imager with spaced diamond detector arrays»). В ответ на падающие нейтроны детекторная система измеряет высоту импульсов и время отклика, и на основе этих измерений вычисляет энергию отдачи углерода и время пролета рассеянных нейтронов. Схема прибора включает в себя алмазный детектор, различное измерительное и технологическое оборудование и формирователь изображения. Детектор представляет собой «двухступенчатый» детектор, имеющий алмазный детекторный слой и связанный тонкий слой кремния. Каждый алмазный детекторный слой представляет собой набор монокристаллических алмазных детекторов (матрица три на три, состоящая из девяти кристаллов, размером 7×7×0,5 мм). В данном примере используются пластины алмазов размером 5×5×0,5 мм. Слои алмазного детектора и кремния образуют «сэндвич», при этом кремниевые слои находятся на внешних сторонах детектора и служат для отсечения фона. Два блока алмазных детекторов находятся внутри. Сигнал от детектора поступает на предусилитель, усилитель и анализатор, такие как Clearpulse 580 К, Ortec 572А и Amptek МСА800А соответственно. Для измерений времени полета (TOF) используются временные сигналы задержки между парой детекторов. Выход детектора первого детектора подается в схему измерения времени отклика (здесь она содержит усилители быстрого заряда и дискриминаторы постоянной доли (CFD)). Это время отклика является мерой скорости импульсов, что делает возможными измерения TOF.The closest analogue (prototype) of the invention is a device for detecting neutrons with a detector having a pair of spaced diamond detector layers sandwiched between outer layers of silicon (patent US 2018/0120460 dated 03.05.2018 "Neutron imager with spaced diamond detector arrays"). In response to incident neutrons, the detector system measures the pulse height and response time, and from these measurements calculates the carbon recoil energy and the time of flight of the scattered neutrons. The scheme of the device includes a diamond detector, various measuring and technological equipment, and an imager. The detector is a "two-stage" detector having a diamond detector layer and an associated thin layer of silicon. Each diamond detector layer is a set of single-crystal diamond detectors (three by three matrix, consisting of nine crystals, 7×7×0.5 mm in size). In this example, 5×5×0.5 mm diamond plates are used. The layers of the diamond detector and silicon form a "sandwich", while the silicon layers are located on the outer sides of the detector and serve to cut off the background. Two blocks of diamond detectors are inside. The signal from the detector is fed to a preamplifier, amplifier, and analyzer, such as the Clearpulse 580K, Ortec 572A, and Amptek MCA800A, respectively. Time of flight (TOF) measurements use time delay signals between a pair of detectors. The detector output of the first detector is fed into the response time measurement circuit (here it contains fast charge amplifiers and constant fraction discriminators (CFDs)). This response time is a measure of the speed of the pulses, which makes TOF measurements possible.
Данная система регистрации подходит для измерений нейтронов с низкой энергией в диапазоне 10 кэВ до 1 МэВ и имеет сложную структуру детектирующего элемента.This detection system is suitable for low energy neutron measurements in the range of 10 keV to 1 MeV and has a complex structure of the detecting element.
Целью настоящего изобретения является обеспечение измерений спектров продуктов термоядерных реакций, а именно: протонов, тритонов, Не3, Не4, а также 2,5 и 14 МэВ нейтронов, на основании которых можно анализировать структуру термоядерного источника ЛТС, одним прибором.The purpose of the present invention is to provide measurements of the spectra of products of thermonuclear reactions, namely: protons, tritons, He 3 , He 4 , as well as 2.5 and 14 MeV neutrons, on the basis of which it is possible to analyze the structure of the LTS thermonuclear source, with one instrument.
Поставленная цель достигается тем, что в систему регистрации входит детектор на основе алмазной монокристаллической CVD (химическое осаждение из газовой фазы) пленки и регистрирующая аппаратура высокого разрешения, в которую входит высокочастотный предусилитель, электронный модуль для преобразования и воспроизведения сигналов алмазного детектора, высокоскоростной АЦП. Алмазный детектор позволяет регистрировать смешанные потоки излучения: рентген, нейтроны, заряженные продукты термоядерных реакций и по временным задержкам анализировать динамику и пространственное распределение импульсных источников излучения. Это позволит измерить спектры продуктов термоядерных реакций, а именно: протоны, тритоны, Не3, Не4, 2,5 МэВ и 14 МэВ нейтроны, гамма-излучение на основании которых можно анализировать структуру термоядерного источника ЛТС. Алмазный детектор будет измерять пролетное время нейтронов и альфа-частиц, испускаемых мишенью. Время прихода на детектор несет информацию об энергии регистрируемых частиц, а разброс времен прихода позволит измерить их температуру.This goal is achieved by the fact that the registration system includes a detector based on a diamond single-crystal CVD (chemical vapor deposition) film and high-resolution recording equipment, which includes a high-frequency preamplifier, an electronic module for converting and reproducing diamond detector signals, and a high-speed ADC. The diamond detector makes it possible to register mixed radiation fluxes: X-rays, neutrons, charged products of thermonuclear reactions and analyze the dynamics and spatial distribution of pulsed radiation sources by time delays. This will make it possible to measure the spectra of the products of thermonuclear reactions, namely: protons, tritons, He 3 , He 4 , 2.5 MeV and 14 MeV neutrons, gamma radiation, on the basis of which it is possible to analyze the structure of the LTS thermonuclear source. The diamond detector will measure the time of flight of neutrons and alpha particles emitted by the target. The time of arrival at the detector carries information about the energy of the registered particles, and the spread of arrival times will make it possible to measure their temperature.
Чувствительный элемент алмазного детектора (фиг.1) представляет собой алмазную монокристаллическую CVD пленку (фиг.1, поз 1) высокой чистоты толщиной около 20 мкм, выращенную на алмазной НРНТ подложке (фиг.1, поз.2) с содержанием бора не менее 100 ppm. На НРНТ подложку и CVD пленку были нанесены методом магнетронного напыления сплошные металлические контакты (фиг.1, поз.3, 4) толщиной не более 35 нм. Материалом контактов могут служить карбидообразующие металлы. В качестве чувствительного элемента может использоваться тонкая (не более 100 мкм) монокристаллическая алмазная пластина электронного качества с нанесенными сплошными металлическими контактами.The sensitive element of the diamond detector (figure 1) is a diamond single-crystal CVD film (figure 1, item 1) of high purity with a thickness of about 20 μm, grown on a diamond HPNT substrate (figure 1, item 2) with a boron content of at least 100 ppm On HPHT substrate and CVD film were deposited by magnetron sputtering solid metal contacts (figure 1, pos.3, 4) with a thickness of not more than 35 nm. The contact material can be carbide-forming metals. As a sensitive element, a thin (no more than 100 microns) single-crystal diamond plate of electronic quality with deposited solid metal contacts can be used.
Корпус детектора представляет собой разборную конструкцию на коаксиальном разъеме, в которую монтируется электрод (фиг.2, поз.12), столик (фиг.2, поз.7), на который стороной подложки помещается чувствительный алмазный элемент (фиг.2, поз.13), фиксирующийся стопором (фиг.2, поз.6), имеющим отверстие диаметром не менее 1,5 мм. Прижим осуществляется накидной гайкой (фиг.2, поз.5). В качестве изоляторов используются детали из фторопласта (фиг.2, поз.8, 9, 11).The detector housing is a collapsible structure on a coaxial connector, which is mounted electrode (figure 2, pos.12), a table (figure 2, pos.7), on which the side of the substrate is placed sensitive diamond element (figure 2, pos. 13), fixed by a stopper (figure 2, pos.6), having a hole with a diameter of at least 1.5 mm. The clamp is carried out by a union nut (figure 2, pos.5). As insulators used details of PTFE (figure 2, pos.8, 9, 11).
Конструкция детектора является разборной. Существенным преимуществом является простота изготовления корпуса детектора, быстрая сборка, которая в тоже время обеспечивает надежный электрический контакт. Данная конструкция позволяет быстро произвести замену чувствительного элемента в случае необходимости без замены деталей корпуса и демонтажа всей системы регистрации. Устройство алмазного детектора представлено на фиг.2, где 5 - гайка накидная, 6 - стопор, 7 - столик, 8 - гайка, 9 - втулка, 10 - корпус детектора, 11 - втулка, 12 - электрод, 13 - алмазный чувствительный элемент.The design of the detector is collapsible. A significant advantage is the ease of manufacture of the detector housing, quick assembly, which at the same time provides reliable electrical contact. This design allows you to quickly replace the sensing element, if necessary, without replacing the housing parts and dismantling the entire registration system. The device of the diamond detector is shown in figure 2, where 5 is a union nut, 6 is a stopper, 7 is a table, 8 is a nut, 9 is a sleeve, 10 is a detector housing, 11 is a sleeve, 12 is an electrode, 13 is a diamond sensitive element.
По сравнению с прототипом, заявляемая конструкция позволяет проводить прямые спектрометрические измерения нейтронов в диапазоне энергий от 2,5 до 15 МэВ, а также протонов, тритонов, Не3, Не4 и гамма-излучения.Compared with the prototype, the proposed design allows for direct spectrometric measurements of neutrons in the energy range from 2.5 to 15 MeV, as well as protons, tritons, He 3 , He 4 and gamma radiation.
Схема системы регистрации потоков корпускулярного излучения на основе алмазного детектора для времяпролетной спектрометрии лазерного термоядерного синтеза представлена на фиг.3, где 14 - алмазный детектор, 15 - высокочастотный предусилитель, 6 - электронный модуль для преобразования и воспроизведения сигналов алмазного детектора, 17 - высокоскоростной АЦП.Figure 3 shows a diagram of a system for detecting corpuscular radiation fluxes based on a diamond detector for time-of-flight spectrometry of laser fusion, where 14 is a diamond detector, 15 is a high-frequency preamplifier, 6 is an electronic module for converting and reproducing diamond detector signals, 17 is a high-speed ADC.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2797867C1 true RU2797867C1 (en) | 2023-06-09 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103336296A (en) * | 2013-05-31 | 2013-10-02 | 上海大学 | Neutron detector |
RU2522772C1 (en) * | 2012-12-27 | 2014-07-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Diamond detector |
RU169457U1 (en) * | 2016-12-06 | 2017-03-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" | NEUTRON DETECTOR BASED ON SYNTHETIC DIAMOND |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2522772C1 (en) * | 2012-12-27 | 2014-07-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Diamond detector |
CN103336296A (en) * | 2013-05-31 | 2013-10-02 | 上海大学 | Neutron detector |
RU169457U1 (en) * | 2016-12-06 | 2017-03-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" | NEUTRON DETECTOR BASED ON SYNTHETIC DIAMOND |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Andriamonje et al. | Development and performance of Microbulk Micromegas detectors | |
Zhou et al. | Neutron beam monitor based on a boron-coated GEM | |
US7266178B2 (en) | Calibration source for X-ray detectors | |
Zhou et al. | A ceramic GEM-based neutron beam monitor for China Spallation Neutron Source | |
Betigeri et al. | The germanium wall of the GEM detector system: GEM Collaboration | |
Bedogni et al. | Modelling the response of semiconductor based thermal neutron detectors with MCNP 6.2 and PHITS | |
Osipenko et al. | Neutron spectrometer for fast nuclear reactors | |
Kapoor et al. | Nuclear radiation detectors | |
Babkin et al. | Beam test results of the MRPC prototype for the new NA61/SHINE ToF system | |
Moroni et al. | The Ring Counter (RCo): A high resolution IC–Si–CsI (Tl) device for heavy ion reaction studies at 10–30 MeV/A | |
RU2797867C1 (en) | Diamond detector-based diamond detector recognition system for fluxes of corpuscular radiation for laser fusion time-of-flight spectrometry | |
Papaevangelou et al. | ESS nBLM: Beam Loss Monitors based on fast neutron detection | |
Shinohara et al. | Solid state neutral particle analyzer array on National Spherical Torus Experiment | |
Li et al. | Ground electron calibration of Charged Particle Detectors onboard GECAM satellite | |
Gallin-Martel et al. | Characterization of diamond and silicon carbide detectors with fission fragments | |
Liu et al. | The FFIS spectrometer for determination of fission fragment mass distribution with the energy–velocity method | |
Gupta et al. | Pulse height and timing characteristics of CsI (Tl)-Si (PIN) detector for γ‐rays and fission fragments | |
Frost et al. | One detector, all the light elements–Low-background NRA, RBS and ERDA for the quantification of elements from hydrogen to fluorine | |
Cavallari | High performance timing detectors for high energy physics experiments and new developments for the high luminosity LHC | |
Koglin et al. | DEATH-STAR: Silicon and photovoltaic fission fragment detector arrays for light-ion induced fission correlation studies | |
Gagnon-Moisan et al. | Characterization of single crystal chemical vapor deposition diamond detectors for neutron spectrometry | |
Hassard et al. | CVD diamond film for neutron counting | |
Yan et al. | Performance study of a novel sampling TPC prototype detector based on THGEM | |
Liu et al. | Construction of high-resolution energy—time-of-flight spectrometer for determination of fission fragment mass distributions | |
Pal et al. | Measurement of mass and total kinetic energy distribution of fission fragments using newly developed compact MWPC detectors |